孔祥宇, 焦文玲, 叢德文 , 王建華 , 馮立德

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱150090;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣銷售廣東分公司,廣東廣州510220;3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣銷售分公司,北京100101)

1 概述

國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)宣布于2020年1月1日起實(shí)施限硫令,要求全球范圍內(nèi)船用燃油含硫量不得超過0.5%,并制定了到2050年將溫室氣體排放減半的階段目標(biāo),這標(biāo)志著全球海運(yùn)業(yè)正式進(jìn)入“低硫、低碳”時(shí)代。液化天然氣作為船用可持續(xù)發(fā)展清潔能源,可各方面均滿足國(guó)際船舶排放控制要求,是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要保障手段。國(guó)際航運(yùn)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),到2025年國(guó)際LNG動(dòng)力船舶將達(dá)到3 000艘左右,全球船舶訂單中將有60.3%的新造船采用LNG動(dòng)力[1-2]。

現(xiàn)階段為L(zhǎng)NG動(dòng)力船加注燃料主要方式為槽車加注、岸站加注、船對(duì)船加注。其中船對(duì)船加注可提供更為高效、及時(shí)和規(guī)?；募幼⒎?wù)。目前,104箱級(jí)受注船、大型礦砂船、超大型油輪等大型遠(yuǎn)洋船舶大多采用船對(duì)船加注。為了減少靠港口靠泊時(shí)間,需要在燃料加注的同時(shí)進(jìn)行貨物的裝卸操作,即同步作業(yè)。一旦加注過程中發(fā)生LNG泄漏,產(chǎn)生可燃?xì)?氣體擴(kuò)散至同步作業(yè)區(qū)域?qū)?huì)被作業(yè)所產(chǎn)生的靜電、火花等點(diǎn)燃,存在火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。

以深圳鹽田國(guó)際港區(qū)16號(hào)碼頭為作業(yè)碼頭,以新奧普陀號(hào)8 500 m3LNG加注船(簡(jiǎn)稱加注船)和法國(guó)達(dá)飛14800TEU系列LNG受注船(簡(jiǎn)稱受注船)為研究對(duì)象,基于FLACS軟件求解加注船和受注船同步作業(yè)過程的泄漏后果,定量分析軟管破裂和法蘭接頭處泄漏等典型高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景,獲取蒸氣云在受注船壓載和滿載工況下的擴(kuò)散范圍,據(jù)此劃定安全操作范圍,為加注船同步作業(yè)安全區(qū)域劃分提供重要的技術(shù)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

2 仿真模型與網(wǎng)格劃分

加注船與受注船的主要參數(shù)見表1。基于加注船和受注船的主要參數(shù),采用FLACS軟件建立加注船、受注船三維模型,分別見圖1、2。圖2中受注船三維模型右側(cè)為船頭,左側(cè)為船尾,加注船與受注船同向,兩船凈距4 m。兩船間軟管連接三維模型見圖3。圖2中,BAY2—BAY86為受注船集裝箱具體位置,用貝位表示。其中,BAY2—BAY22為艏樓前貝位,BAY26為加注站所在貝位,BAY26—BAY70為艏樓艉樓間貝位,BAY74—BAY86為艉樓后貝位。鹽田港有大型集裝箱深水泊位16個(gè),自大鵬灣口至鹽田港區(qū)進(jìn)港航道全長(zhǎng)約26 km,航道水深17.4 m,航道寬度400 m,基于FLACS建立鹽田港二期三維模型見圖4。

表1 加注船與受注船的主要參數(shù)

圖1 加注船三維模型(軟件截圖)

圖2 受注船三維模型(軟件截圖)

圖3 兩船間軟管連接三維模型(軟件截圖)

圖4 鹽田港二期三維模型(軟件截圖)

采用FLACS軟件對(duì)作業(yè)過程的泄漏過程氣相或液相可能擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將泄漏區(qū)域作為核心區(qū)域,依據(jù)各工況泄漏位置分別設(shè)置核心區(qū)域、擴(kuò)展區(qū)域。核心區(qū)域尺寸約為4 m×4 m×4 m,擴(kuò)展區(qū)域尺寸約為600 m×100 m×80 m。為同時(shí)保證計(jì)算速度和計(jì)算精度,以核心區(qū)域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)作為變量,進(jìn)行網(wǎng)格敏感性試算,結(jié)果表明核心區(qū)域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.5 m時(shí),網(wǎng)格符合。由于核心區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)均大于泄漏口半徑,故泄漏采用虛擬噴口技術(shù)以保證計(jì)算精度,核心區(qū)域與擴(kuò)展區(qū)域采用Smooth功能過渡,比例系數(shù)為1.2,擴(kuò)展區(qū)域最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)為5 m。網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分(軟件截圖)

3 場(chǎng)景設(shè)定

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLACS,選取氣相軟管泄漏、液相軟管泄漏、加注船加注站法蘭接頭泄漏、受注船加注站法蘭接頭泄漏(液相)4種場(chǎng)景進(jìn)行泄漏后果定量分析。分析受注船壓載工況(簡(jiǎn)稱壓載工況)、受注船滿載工況(簡(jiǎn)稱滿載工況)蒸氣云擴(kuò)散范圍。

各泄漏場(chǎng)景的參數(shù)如下。

① 泄漏時(shí)間

氣相軟管、液相軟管及相關(guān)接頭規(guī)格均為DN 200 mm,傳輸壓力控制在1 MPa以內(nèi),應(yīng)急切斷(Emergency Shut Down)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間取30 s,氣體泄漏探測(cè)時(shí)間取30 s,累計(jì)泄漏時(shí)間為60 s。

② 擴(kuò)散邊界

依據(jù)GB/T 20368—2021《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》、 中國(guó)船級(jí)社《油氣定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(2020版)》、中國(guó)船級(jí)社《液化天然氣燃料加注作業(yè)指南(2021版)》、NFPA59A—2021《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》(Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas )等,選取甲烷體積分?jǐn)?shù)為2.5%作為蒸氣云擴(kuò)散邊界。

③ 泄漏口直徑

根據(jù)GB/T 26610.4—2022《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第4部分:失效可能性定量分析方法》、英國(guó)健康安全執(zhí)行局(Health and Safety Executive)數(shù)據(jù)庫(kù)、國(guó)際油氣生產(chǎn)者協(xié)會(huì)(International Association of Oil &Gas Producers)數(shù)據(jù)庫(kù)等,軟管泄漏時(shí),泄漏口直徑取軟管直徑的10%,即20 mm,法蘭接頭泄漏時(shí),泄漏口直徑取30 mm。

父母?jìng)円詾樽畲笙薅茸鹬睾⒆拥囊庵?，就是制造了民主的家庭氛圍，事?shí)上很容易走向極端，制造出專制的氛圍。孩子成為本質(zhì)上的獨(dú)裁者。孩子一哭，全家就得啟動(dòng)緊張模式，分工合作滿足孩子當(dāng)下需求；孩子要睡覺，全家就得保持安靜；孩子怕熱，全家就得跟著開空調(diào)，冷也得乖乖忍著；孩子愛看動(dòng)畫片，全家就得低齡化，每天守著喜羊羊和灰太狼傻笑。

④ 泄漏工質(zhì)組成

泄漏工質(zhì)按純甲烷考慮。

⑤ 泄漏時(shí)環(huán)境情況

環(huán)境溫度15 ℃,環(huán)境壓力101 kPa,泄漏壓力1 MPa。模擬考慮風(fēng)向?yàn)?6個(gè)方向,根據(jù)風(fēng)玫瑰圖設(shè)定風(fēng)向。具體風(fēng)向風(fēng)速設(shè)定見表2。

氣相泄漏模擬時(shí),考慮6個(gè)泄漏方向(垂直向上、垂直向下、水平向左、水平向右、垂直船側(cè)外板、負(fù)向垂直船側(cè)外板),同時(shí)考慮風(fēng)向和泄漏方向后,以泄漏開始為0時(shí)刻,泄漏時(shí)間為60 s,共模擬96個(gè)工況,將96個(gè)工況進(jìn)行疊加,得出蒸氣云最大擴(kuò)散范圍。

液相泄漏模擬時(shí),考慮1個(gè)泄漏方向(垂直向下)。同時(shí)考慮風(fēng)向和泄漏方向后,以泄漏開始為0時(shí)刻,泄漏時(shí)間為60 s,共模擬16個(gè)工況,將16個(gè)工況進(jìn)行疊加,得出蒸氣云最大擴(kuò)散范圍。

表2 風(fēng)向風(fēng)速設(shè)定

4 泄漏后果定量分析

分析泄漏后果時(shí),4種場(chǎng)景均考慮風(fēng)玫瑰圖中16個(gè)風(fēng)向的風(fēng)速。

4.1 氣相軟管泄漏

氣相軟管泄漏位置見圖6。氣相軟管泄漏方向考慮相對(duì)于泄漏口處垂直向上、垂直向下、水平向左、水平向右、垂直船側(cè)外板、負(fù)向垂直船側(cè)外板6個(gè)泄漏方向。氣相軟管泄漏壓載工況、滿載工況模擬結(jié)果分別見圖7、8。

圖6 氣相軟管泄漏位置(軟件截圖)

圖7 氣相軟管泄漏壓載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖8 氣相軟管泄漏滿載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

由圖7可知,壓載工況下,由于受注船吃水較淺,兩船高差較大,蒸氣云一部分蔓延至加注船甲板上,少量蔓延至受注船甲板上,最深蔓延至受注船BAY26(加注站所在貝位)處向內(nèi)6個(gè)箱位以及BAY30(加注站后1貝位)處向內(nèi)3個(gè)箱位。蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為船長(zhǎng)方向87 m,船寬方向31 m。

4.2 液相軟管泄漏

液相軟管泄漏位置見圖9。LNG泄漏方向?yàn)榇怪毕蛳?液相軟管泄漏壓載工況、滿載工況模擬結(jié)果分別見圖10、11。

圖9 液相軟管泄漏位置(軟件截圖)

圖10 液相軟管泄漏壓載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖11 液相軟管泄漏滿載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

由圖10可以看出,壓載工況下,由于受注船吃水較淺,兩船高差較大,故泄漏的蒸氣云全部在加注船側(cè)積聚,未蔓延至受注船甲板上。蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為船長(zhǎng)方向230 m,船寬方向30 m。

由圖11可以看出,滿載工況下,液相軟管發(fā)生破損,泄漏的LNG會(huì)與水進(jìn)行強(qiáng)烈的換熱,產(chǎn)生大量的天然氣,形成蒸氣云。蒸氣云沿著兩船夾道內(nèi)擴(kuò)散,并蔓延至加注船甲板上,未能波及受注船甲板上。蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為船長(zhǎng)方向227 m,船寬方向30 m。

4.3 加注船加注站法蘭接頭泄漏

加注船加注站法蘭接頭泄漏位置見圖12。LNG泄漏方向?yàn)榇怪毕蛳?。加注船加注站法蘭接頭泄漏壓載工況、滿載工況模擬結(jié)果分別見圖13、14。

圖12 加注船加注站法蘭接頭泄漏位置(軟件截圖)

圖13 加注船加注站法蘭接頭泄漏壓載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖14 加注船加注站法蘭接頭泄漏滿載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

由圖13可知,壓載工況下,由于受注船吃水較淺,兩船高差較大,蒸氣云全部在加注船側(cè)積聚,未蔓延至受注船甲板。蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為船長(zhǎng)方向219 m,船寬方向25.5 m。

由圖14可知,滿載工況下,加注船加注站法蘭接頭發(fā)生泄漏,泄漏形成的蒸氣云會(huì)沿兩船夾道內(nèi)擴(kuò)散,且少量蔓延至加注船甲板上,未能波及受注船甲板上。蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為船長(zhǎng)方向330 m,船寬方向25.5 m。

綜合對(duì)比壓載工況和滿載工況,加注船側(cè)蒸氣云擴(kuò)散范圍存在顯著差異。這是由于兩船高差改變后,導(dǎo)致局部風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)剪切(風(fēng)速在空間中的分布)等發(fā)生了變化,從而影響了蒸氣云擴(kuò)散范圍。

4.4 受注船加注站法蘭接頭泄漏

受注船加注站法蘭接頭泄漏位置見圖15。LNG泄漏方向?yàn)榇怪毕蛳?。受注船加注站法蘭接頭泄漏壓載工況、滿載工況模擬結(jié)果分別見圖16、17。

圖15 受注船加注站法蘭接頭泄漏位置(軟件截圖)

圖16 受注船加注站法蘭接頭泄漏壓載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖17 受注船加注站法蘭接頭泄漏滿載工況模擬結(jié)果(軟件截圖)

由圖16可知,壓載工況下受注船加注站法蘭接頭泄漏后,泄漏的LNG會(huì)大量蒸發(fā)產(chǎn)生天然氣,形成蒸氣云。蒸氣云蔓延至受注船甲板,同時(shí)蔓延至兩船夾道內(nèi)及加注船甲板上。蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為船長(zhǎng)方向185 m,船寬方向76 m。

由圖17可知,滿載工況下受注船加注站法蘭接頭泄漏后,在受注船側(cè),蒸氣云會(huì)蔓延至集裝箱甲板上,在加注船側(cè),少量蔓延至加注船甲板上,其余蒸氣云蔓延至兩船夾道內(nèi)及加注船船頭的水面方向。蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為船長(zhǎng)方向223 m,船寬方向90 m。

5 結(jié)論

① 氣相軟管泄漏受注船壓載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為87 m×31 m;受注船滿載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為127 m×21 m。

② 液相軟管泄漏受注船壓載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為230 m×30 m;受注船滿載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為227 m×30 m。

③ 加注船加注站法蘭接頭泄漏受注船壓載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為219.0 m×25.5 m;受注船滿載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為330.0 m×25.5 m。

④ 受注船加注站法蘭接頭泄漏受注船壓載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為185 m×76 m;受注船滿載工況,蒸氣云最大擴(kuò)散范圍為223 m×90 m。